Введение к работе
Актуальность исследования. В настоящее время одним из актуальных направлений считается создание нормируемых параметров микроклимата в промышленных помещениях за счет утилизации тепловыделений технологического оборудования, что отвечает современной тенденции общества – экономии энергоресурсов.
Известно, что процессы тепло -воздухообмена в помещениях с источниками тепловыделений характеризуются как нестационарные и обусловлены большим количеством одновременно действующих факторов, что требует глубокого изучения их взаимодействия. К числу таких помещений относятся горячие цехи металлообрабатывающих производств, электролиза алюминия, турбогенераторные цехи ТЭЦ, машинные залы компрессорных станций магистральных газопроводов и т.д.
Расположение основных источников тепловыделений (турбины и газоходов) на площадках выше уровня пола вызывает существенные температурные расслоения по высоте помещений и, как следствие, значительные отклонения параметров микроклимата от нормируемых значений. Одновременно в компрессорных цехах имеют место помещения и зоны с низкими значениями температуры – помещения для установки нагнетателей газа (галереи нагнетателей), нижние зоны машинных залов, вспомогательные помещения.
Сложившаяся тенденция удорожания энергоресурсов стимулирует проведение энергосберегающих мероприятий в транспортировке газа, в частности, по направлению использования вторичных энергоресурсов.
Настоящая работа посвящена дальнейшему совершенствованию методов расчета тепловоздушных процессов в помещениях с источниками тепловыделений и развитию способов энергосбережения в системах обеспечения микроклимата производственных помещений.
Практически на всех компрессорных станциях применяется водяная система теплоснабжения. Надежность транспорта газа может быть существенно повышена за счет перевода части объектов, обеспечивающих работу газоперекачивающих агрегатов (ГПА), на воздушное отопление. Для укрытий ГПА, компрессорных цехов, установки подготовки топливного и пускового газа, резервной электростанции и некоторых других в качестве теплоносителя может быть использован воздух.
Исходя из основных положений теории тепломассообмена в помещениях, была выдвинута рабочая гипотеза – использование управления воздушными потоками в помещениях с источниками теплоты для обеспечения нормируемых параметров микроклимата.
Теоретическими основами работы стали исследования российских ученых, посвященных проблеме энергоэффективной организации воздухообмена в помещениях с источниками тепловыделений: В.В. Батурина, В.М. Эльтермана, С.Е. Бутакова, Н.В. Акинчева, И.А. Шепелева, Я.А. Штромберга, Е.О. Шилькрота, Г.А. Максимова, М.И. Гримитлина, Г.М. Позина, В.В. Дерюгина, С.Ю. Диденко, Э.В. Сазонова, Р.Н. Шумилова и др., а также труды научно-исследовательских и проектных институтов.
Цель и задачи исследования.
Цель исследования разработка энергосберегающей технологии обеспечения нормируемых параметров микроклимата в компрессорных станциях магистральных газопроводов и развитие методов расчета тепловоздушных процессов в помещениях с источниками тепловыделений.
Объектом исследования являются компрессорные станции магистральных газопроводов.
Предметом исследования являются способы формирования микроклимата помещений с применением энергосберегающей технологии.
Задачи исследования:
-
Анализ состояния условий труда на компрессорных станциях магистральных газопроводов.
-
Экспериментальные исследования процессов тепло – воздухообмена в помещениях.
-
Совершенствование балансового метода расчета теплового и воздушного режимов производственных помещений.
-
Численное моделирование тепло-воздухообмена в помещениях с источниками тепловыделений.
-
Сопоставление результатов приближенного и численного моделирования с экспериментальными исследованиями и нормативными требованиями.
-
Анализ существующих схем утилизации и потребления теплоты на компрессорных станциях магистральных газопроводов.
-
Разработка рациональных схем организации воздухообмена и утилизации теплоты на основе экспериментальных и теоретических исследований тепловоздушных процессов.
Методологической основой диссертационного исследования послужили основные положения теории тепломассообмена и аэродинамики в помещениях; методы математической статистики планирования эксперимента; теория численного моделирования; основные положения теории использования вторичных энергоресурсов.
Область исследования соответствует требованиям паспорта научной специальности ВАК: 05.23.03 – Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение, п. 2: «Технологические вопросы теплогазоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха», п. 3: «Создание и развитие эффективных методов расчета и экспериментальных исследований систем теплоснабжения, вентиляции, кондиционирования воздуха, газоснабжения, освещения, защиты от шума».
Научная новизна исследования заключается в следующем:
-
На базе натурных обследований действующих компрессорных станций магистральных газопроводов впервые получены температурные поля на поверхности технологического оборудования и коммуникаций, пространственное распределение температуры и скорости движения воздуха, что позволило выявить количественные характеристики циркуляционных воздушных потоков в машинных залах и зоны с неудовлетворительным состоянием микроклимата, определить фактические тепловыделения оборудования для оценки возможности их утилизации.
-
Экспериментально установлено, что конвективные струи над турбинной частью газотурбинных установок определяют направление циркуляционных воздушных течений и параметры микроклимата в рабочих зонах машинных залов компрессорных станциях магистральных газопроводов.
-
Для стесненных конвективных струй, формирующихся над объемными источниками тепловыделений, методом интегральных соотношений впервые получены теоретические зависимости избыточной температуры, скорости движения воздуха и полуширины струи от продольной координаты.
-
На основании результатов исследований процессов конвективного теплообмена для газоходов разного типа, выполненных на экспериментальных стендах, получены значения удельных расходов воздуха, необходимых для формирования струйных течений воздушного отопления.
-
Сформулированы основные принципы организации тепло-воздухообмена в помещениях с объемными источниками теплоты, размещенными выше уровня пола, защищенные А.с.1753201 СССР F 24 F 7/06 и Свидетельством на полезную модель №25783:
–многоуровневая подача приточного воздуха (в рабочую зону площадки или площадок обслуживания и в верхнюю зону);
–подача рециркуляционного воздуха в рабочую зону нижней части машинного зала для целей отопления;
–удаление воздуха из верхней зоны с последующей утилизацией теплоты.
-
Новые теоретические зависимости параметров стесненных конвективных струй позволили для всех характерных зон определить расходы воздуха, необходимые для развития балансового метода расчета тепловоздушных процессов в помещениях с источниками тепловыделений.
-
В результате численного исследования взаимодействия конвективной и приточной струй с применением разных моделей турбулентности (Спаларта-Алмареса, k- и LES) и анализа данных натурного эксперимента на действующей компрессорной станции обосновано применение модели турбулентности Спаларта-Алмареса (SA) для численного моделирования тепловоздушных процессов в помещениях с объемными источниками тепловыделений.
-
На базе численного моделирования тепловоздушных процессов в формате 3D для помещений с источниками тепловыделений, размещенными выше уровня пола, выявлено наличие автоколебательного процесса струйных течений и определена возможность его реализации в целях энергосбережения.
-
Разработана вычислительная программа, реализованная на языке FORTRAN, для сопоставления результатов расчета параметров воздушной среды на базе численного моделирования и полученных балансовым методом для оценки их соответствия нормативным требованиям.
-
Разработана новая методика организации воздухообмена, основанная на управлении струйными течениями и направленная на утилизацию тепловыделений оборудования на цели отопления, включающая:
– определение количественных характеристик тепловых потоков от нагретого оборудования и через ограждающие конструкции с использованием современных методов инфракрасной диагностики;
– разделение помещения на предполагаемые характерные зоны с точки зрения обеспечения нормируемых параметров и особенностей аэродинамических процессов;
– применение балансового метода расчета воздухообмена, а также расходов воздуха и средних температур воздуха в характерных зонах;
– формирование системы воздушного отопления для рабочей зоны нижней части машинного зала путем поперечного и продольного обтекания приточными струями протяженного источника тепловыделений (газохода или газоходов);
– локализацию конвективной струи над турбинной частью газотурбинной установки для снижения ее влияния на параметры рабочей зоны площадки (площадок) обслуживания и утилизации теплоты этой струи для отопления галереи нагнетателей и вспомогательных помещений компрессорного цеха;
– численное моделирование тепловоздушных процессов с целью получения количественных характеристик процессов тепло-воздухообмена в зависимости от внешних и внутренних условий;
– оценку соответствия результатов численного моделирования результатам расчета балансовым методом и требованиям нормативных документов.
-
Разработаны и реализованы на действующих компрессорных станциях обеспечивающие социально-экономический эффект рациональные схемы утилизации теплоты:
–нагретых поверхностей газоходов для отопления нижней зоны машинных залов с агрегатами мощностью 10, 16 и 25 МВт;
– воздуха, удаляемого технологическими отсосами, для отопления галереи нагнетателей многомашинного зала компрессорной станции;
– воздуха, удаляемого из верхней зоны машинных залов индивидуальных укрытий с агрегатами ГТН-25, для отопления галереи нагнетателей.
Практическая ценность и реализация результатов исследований.
Работа выполнена в соответствии с разработанной в конце 80–х годов Мингазпромом СССР программой работ по созданию систем теплоснабжения с применением в качестве теплоносителя воздуха в целях обеспечения надежной работы оборудования.
Выполнены крупномасштабные натурные исследования состояния воздушной среды в машинных залах компрессорных станций с газоперекачивающими агрегатами различной мощности. Разработана методика использования инфракрасной диагностики (ИК-диагностика) для определения тепловыделений от нагретых поверхностей, внедрение которой на объектах ООО «Севергазпром» обеспечило экономический эффект 123,09 тыс.руб/год (в ценах 1999г.). В рамках договора о творческом содружестве по заказу института Гипроспецгаз (г. Санкт-Петербург) созданы экспериментальные стенды для исследований теплообмена протяженных нагретых поверхностей. Впервые выполнено численное моделирование тепловоздушных процессов в помещениях с реальными, расположенными выше уровня пола источниками тепловыделений сложной конфигурации. Разработана программа расчета приближенной модели на основе Microsoft Excel с использованием прикладной программы Mathcad Professional. Впервые проведено подробное сравнение результатов приближенного и численного моделирования тепло– и воздухообмена в машинных залах компрессорных станций. Решена задача обеспечения нормируемых параметров микроклимата для улучшения условий труда обслуживающего персонала. Разработаны схемы утилизации теплоты при используемых в практике вариантах размещения агрегатов разной мощности и принципиальные схемы автоматизации их работы.
Опытно-промышленной проверкой подтверждена эффективность разработанных схем организации воздухообмена в ООО «Севергазпром», затем в ООО «Газпром трансгаз Ухта» в виде рабочих проектов и опытно–промышленных установок систем вентиляции: индивидуального укрытия газоперекачивающего агрегата мощностью 25МВт в Грязовецком ЛПУМГ (защищено авт.свид. №1753201 СССР F 24 F 7/06) с экономическим эффектом 7,5 тыс.руб./год (на 1 установку в ценах 1991г.), многомашинных цехов Синдорского ЛПУМГ с агрегатами мощностью 10МВт с экономическим эффектом 57,93 тыс.руб./год (на 1 установку в ценах 1984г.), Сосногорского ЛПУ МГ с агрегатами мощностью 16МВт (защищено свид.на полезную модель №25783) с экономическим эффектом 56,42 тыс.руб./год (на 2-х машинный зал в ценах 1999г.). Экономический эффект от внедрения системы утилизации теплоты составил 224,737 тыс.руб./год (в ценах 2004г.). Результаты исследований переданы проектному институту Гипроспецгаз г. Санкт–Петербурга и институту СеверНИПИГаз филиалу ВНИИГАЗа. Внедрение мероприятий по улучшению условий труда, в т.ч. по микроклимату, разработанных при участии автора, позволило получать ежегодные скидки по отчислениям в Фонд социального страхования.
Теоретические положения и результаты экспериментальных исследований, полученные при выполнении диссертационной работы, используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «УГТУ» при подготовке бакалавров и магистров направления 270800.68 «Строительство». Результаты диссертационной работы использовались при выполнении выпускных квалификационных работ строительного профиля и двух диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук под руководством автора.
Достоверность научной гипотезы, выводов и рекомендаций обеспечивается: современными средствами научных исследований; правомерностью сделанных допущений; использованием фундаментальных положений аэродинамики и тепломассообмена; применением современных математических методов планирования экспериментов и статистической обработки результатов; использованием теории численного моделирования; отсутствием в полученных результатах противоречий с общепризнанными научными положениями; результатами натурных, лабораторных и опытно-промышленных экспериментальных исследований автора; удовлетворительной сходимостью результатов аналитических расчетов с данными, полученными экспериментальным путем; результатами промышленной апробации.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались: на 25 международных научно–технических конференциях по отоплению, вентиляции, кондиционированию воздуха, охране труда и окружающей среды (г. Москва 1995г., 1996г., 2007г. и 2009г.; г. Санкт–Петербург 1995г., 1997г., 1998г., 1999г., 2001г., 2004г., 2007г., 2008г. – 2010г. и 2012г.; г. Волгоград 2008г. и 2009г., г. Самарканд 2010г., г. Кошалин 2011г., г. Будапешт 2012г., г. Ханой 2013г.); на 3 всесоюзных конференциях; на научно–практической конференции по проблемам охраны труда и экологии человека в газовой промышленности в ОАО «Газпром» (г. Москва, 2002г.); на Республиканских конференциях в 2000–2005г.г., на научных конференциях и семинарах ООО «Газпром ВНИИгаз в г. Ухта» и Ухтинского государственного технического университета (г. Ухта, 1996–2012г.г.).
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 60 печатных работах, в том числе восемнадцать – входящие в перечень ведущих рецензируемых научных журналов, утвержденный ВАК РФ, две монографии; получены авторское свидетельство, патент и свидетельство на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав с выводами по каждой из них, общих выводов. Диссертация содержит 494 страницы машинописного текста, 29 таблиц, 161 рисунок, 128 формул, 9 приложений и список использованной литературы из 408 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.
